可以移位的塔機基礎安全監控技術及系統研發*

湯坤林 鄧 閣 何 鐵 沈成棟 丁 雄

1. 上海市建工設計研究院有限公司 上海 200050；2. 上海航鼎電子科技發展有限公司 上海 200437

1 塔機基礎安全問題

塔機基礎穩定是影響塔機整體穩定性的重要因素，盡管從設計源頭采取了管理措施，但是，對已發生的塔機事故案例統計分析卻發現，塔機事故中50%是因為地基松動導致的。因此在塔機使用過程中，為了保證使用的安全，需要及時注意基礎的不均勻沉降，定期作檢測。

常規的檢測方法是通過經緯儀測量塔機塔身的垂直度來間接判斷塔機基礎的不均勻沉降。但這種方法存在下列一些缺點：

（a）通過使用外部經緯儀，人工測量，不能做到實時檢測；

（b）使用傳統測量方法響應慢，精度低，成本高，難以滿足基礎沉降的實時監測。

2 塔機基礎實時監測方法[1,2]

鑒于現有市場上缺乏對塔機基礎進行實時檢測與管理的設備，對塔機基礎定期采用手動方式進行，上海市建工設計研究院有限公司與上海航鼎電子科技發展有限公司聯合提出了一套塔機基礎自動檢測系統。系統的構成見圖1。

塔機基礎穩定度監測系統主要由現場監測設備（包括水平水平度傳感器、LDVS磁位移傳感器和監測終端主機）和監測中心軟件構成，適用于所有塔式起重機基礎穩定度監測，實現塔機基礎24 h連續不斷的監測，管理人員在辦公室，通過互聯網就能全面掌握塔機基礎狀態，從而大大降低塔機事故發生率。

圖1 塔機基礎穩定度安全監測系統

塔機基礎監測主要使用2 種傳感器：一種是基于MEMS技術的電子水平尺，測量塔機基礎每個角位置的傾斜度，另一種是差動變壓器式位移傳感器（LVDT），測量每個測量點到相對固定位置的位移變化。

現場監控設備能實時記錄各測量數據，供監測或者事故分析使用；處理好的測量數據，能通過無線公共通信網絡上傳至遠程監測中心。當塔機基礎的傾斜量或沉降量超過設定閾限，現場監測終端主機發出現場聲光報警，提示工程人員采取相應的防范措施，同時提醒遠程監測中心管理人員處理。遠程監控中心管理人員可以通過塔機基礎沉降數據與傾斜數據的分析，得到其沉降趨勢，提示工程人員采取相應的防范措施。總之，以互聯網的技術手段，完成塔機基礎的實時監控，從而預防由塔機基礎不穩定引起的塔機安全事故發生。

3 主要監測指標與功能[3-6]

根據《塔式起重機混凝土基礎工程技術規程》JGJ/T 187—2009的要求，基礎澆筑完成后塔機安裝前應在基礎四角設置沉降觀測點，并在塔機安裝前進行原始觀測，塔機安裝后觀測一次，塔機加節后至少觀測1 次，在使用過程中根據實際情況進行進程觀測，并做好記錄。基礎的最大最小沉降差引起的基礎傾斜不應大于1/1 000，總沉降控制在50 mm以內。當塔基位于基坑邊或需對位移進行控制等情況時，還應對基礎位移進行觀測。

根據規范的要求，我們設計的塔機基礎實時監控系統應該實現以下功能：

（a）能實現塔機基礎沉降與傾斜度的實時監控，支持至少8 個測試點的傾斜度測量和4 個角的沉降；

（b）具有基礎位移監測的接口，能實現塔機基礎水平位移的監控；

（c）監測設備帶有衛星定位功能，能夠準確記錄時間和上傳監控中心各測量點位置，便于監控中心直觀地觀測塔機基礎狀態；

（d）監測記錄數據安全性好，測量數據不僅保留在監控裝置主機中，同時將監測數據保留在系統服務器中；

（e）水平度傳感器測量信號和LVDT測量信號送入測量裝置，結合嵌入式軟件，實時檢測各測量值，并通過無線公共數據網絡傳送至檢測中心；

（f）內置備用電池，在裝置外部供電損壞時，能及時向監控中心報警，請管理人員處理；

（g）現場聲光報警和遠程系統報警相結合。

4 外部傳感器選型

根據國家規范，塔機基礎安全穩定性監測測試精度要求高，考慮產品的性價比，對沉降測量，我們考慮0.1 mm精度，對傾斜度，我們采用1/2 000精度。

考慮施工現場的使用環境，還需要注意傳感器防塵、防水和防碰撞要求；我們監測設備選用了基于MEMS的水平度傳感器和LVDT差分位移傳感器。

4.1 MEMS水平度傳感器

MEMS即微機電系統（Micro Electro Mechanical Systems），MEMS傳感器是采用微電子和微機械加工技術制造出來的新型傳感器。與傳統的傳感器相比，它具有體積小、質量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產、易于集成和實現智能化的特點。同時，在微米量級的特征尺寸使得它可以完成某些傳統機械傳感器所不能實現的功能。

采用上海航鼎公司設計的AZ101 MEMS水平度傳感器來測量塔機的基礎傾斜，主要技術指標為測量范圍±15°（其他量程可選），供電電壓5 V（測試電壓24 V），測量精度0.02°，分 辨 率0.001°，滿量程最大誤差（常溫）＜0.05°，非線性度≤±0.5%，長期穩定性（1年）＜0.05°，防護等級IP65。

4.2 LVDT差分位移傳感器指標

LVDT（Linear Variable Differential Transformer）是線性可變差動變壓器的英文縮寫，屬于直線位移傳感器。工作原理簡單地說是鐵芯可動變壓器。它由1 個初級線圈、2個次級線圈，鐵芯，線圈骨架，外殼等部件組成。初級線圈、次級線圈分布在線圈骨架上，線圈內部有一個可自由移動的桿狀鐵芯。當鐵芯處于中間位置時，2 個次級線圈產生的感應電動勢相等，這樣輸出電壓為零；當鐵芯在線圈內部移動并偏離中心位置時，兩個線圈產生的感應電動勢不等，有電壓輸出，其電壓大小取決于位移量的大小。為了提高傳感器的靈敏度，改善傳感器的線性度、增大傳感器的線性范圍，設計時將2 個線圈反串相接、2 個次級線圈的電壓極性相反，LVDT輸出的電壓是2 個次級線圈的電壓之差，這個輸出的電壓值與鐵芯的位移量成線性關系。LVDT 具有下列優勢和特點：無摩擦測量、無限的機械壽命、無限的分辨率、零位可重復、環境適應性強，是少數幾個可以在多種惡劣環境中工作的傳感器之一。

堅固的結構提供高可靠性，而其性能十分適合行程小于±100 mm的多數應用，測量精度能達到1/1 000，其特性非常適合在塔機基礎沉降測量使用。

選用深圳信為公司SBD20型外徑20 mm，不銹鋼304外殼，回彈式位移傳感器，主要技術指標如下：位移量程為0～50 mm，有多種規格量程可選；輸出信號為0～5 V DC（ 9～28 V DC 供電電壓） ；線性誤差有±0.25%、±0.5%可選；重復誤差＜0.01%；使用溫度為－25 °C～+85 °C。

5 監測設備安裝

5.1 塔機基礎安全監控終端的安裝

塔機基礎監控終端，選擇安裝在交流電供應和防雨的電控箱內，可以在塔機基礎上或者塔機塔架上方便的位置安裝。

為了保證測量有效性，取傾斜變化和沉降位置變化最大點，通常在基礎的各個角。圖2提供了在塔機基礎上布置傳感器的安裝位置示意。

圖2 電子水平尺與位移傳感器安裝位置示意

5.2 水平度傳感器安裝

（a）為了保證測量有效性，建議至少在每個角安裝一個水平度傳感器。

（b）為了現場安裝施工方便，我們將水平度傳感器安裝在槽鋼內側，制作成500 mm電子水平尺；為便于安裝、防水，每個電子水平尺都帶有安裝孔，可以方便地安裝于基礎測量點，并進行水平度的校正。

（c）最多安裝8 個電子水平尺，每個電子水平尺盡量靠近基礎4 個角安裝；對于安裝4 個水平度傳感器的監測系統，按電子水平尺1～4位置安裝。

5.3 差動位移傳感器安裝

為了保證測量有效性，建議至少在每一個角安裝差動位移傳感器。

（a）采用差動變壓器式位移傳感器（LVDT）測量相對固定位置到塔機基礎觀測點相對位移變化；差動變壓器式位移傳感器（LVDT）安裝于塔機基礎4 個角，如果安裝了4 個及以上的水平度傳感器，可以僅僅選擇1 個角安裝差動變壓器式位移傳感器；

（b）為了測量塔機基礎下沉，選擇離開塔機1.5 m外選擇一個相對固定的位置，安裝一個固定測量支架，支架一端固定在地里，支架另一端（測量點）與差動變壓器式位移傳感器測量端接觸，測量點與LVDT測量端相對位移變化，就是基礎的沉降；

（c）如果需要安裝水平位移傳感器，和已安裝的沉降傳感器安裝在相鄰的位置。

6 結語

塔機基礎質量是塔機安全生產最根本的基礎，之前沒有實時監測的方法與手段，本文的塔機基礎實時監測方法提供了一個新的手段和方法，希望能起到拋磚引玉的作用，為同行和國內塔機基礎安全監控工作的開展提供參考，杜絕安全隱患，預防和減少塔機使用過程中安全事故的發生。